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这个问题难以回答---------首先涉及如何定义一种数学证明方法,然后才可统计。
希尔伯特对数学证明的定义是:一个证明是一个格式,它本身必须清楚地呈现在人们面前;它根据推理模式,由一系列断定组成,这里前提S或是一条公理(或一些公理),或是在展开中先已出现的证明格式的结尾公式。
类似地,哥德尔对数学证明给出的定义是:证明在形式上不过是公式的有穷序列(具有一些特殊的可定义的特征)。
这样看来,可以把数学证明定义为一个逻辑推理的过程,推理的结果是被证命题(证明结论)。由此得出一个重要结论:数学证明方法可以形式化为逻辑表达式,特别是逻辑蕴含式(也就是“如果…那么…”的结构,直至结论)。如果两个证明的序列(逻辑表达式结构)形式上或本质上没有差异,则可视为是一个证明方法;否则可视为两个证明方法。
在明确证明方法的定义后,可公式化这些逻辑结构,列为一个独立的形式化方法,然后统计它有多少种。当然统计的样本要足够全,要在古今中外的数学证明实践中抽取。拙作《证明方法与理论》(张寅生著,国防工业出版社,2015. 作者信箱:zhangyinshengnet@sina.com)的证明方法部分就做了这样一个工作。结果归纳抽取了11种数学证明方法:
①关系运算证明方法;②三段论证明方法;③数学归纳法;④反证法;⑤构造性证明方法;⑥同态证明方法;⑦解释性证明方法;⑧系统化证明方法;⑨截消证明方法;⑩归结证明方法;⑪自动化证明方法(其中,截消证明方法是系统化证明方法的特例;解释性证明方法是同态证明方法的特例)。
这个抽取结果与其他数学证明方法的分类、归纳结果比较如何?就作者看来,这个结果是当前归纳最全的数学证明方法,也就是说,这11个数学证明方法是史上最全的数学证明方法的集成。
下表是比较结果:表中的其他文献或多或少列出了各种数学证明方法,就当前的搜索结果,基本上囊括了当前国际国内数学证明方法论述著作了。经过作者逐一比较和借鉴,《证明方法与理论》包括了它们所说的方法(当然分类、名称、结构未必相同)。有的文献如孙宗明《数学证明方法》,所列的方法更多,但是因为这些方法没有形式化,因此或者在逻辑结构上不是独立的或可形式化的,或者可包含在《证明方法与理论》的其他方法中了。
当前对数学证明方法的分类和集成状况
作者(编者) | 著作名称 | 所介绍的证明方法 |
萧文强 | 数学证明[5] | 西方证明方法、中国的直观解释方法 |
张顺燕 | 数学的思想、方法和应用[6] | 演绎法、分析与综合、归纳法、数学归纳法 |
孙宗明 | 数学证明方法[7] | 演绎法和归纳法、直接证法和间接证法、综合法和分析法、循环证法、抽屉证法、定性证法、构造性证明、初等证明、机器证明、轮换证法、不动点法、摄动法、集合等同法、极大极小法、非综合几何法 |
林东岱李文林虞言林(主编) | 数学与数学机械化[8] | 吴方法 |
克林 | 元数学导论[9] | 形式系统证法、自然演绎系统证法 |
Michael Sipser | 计算理论导引[10] | 构造性证明、归纳法、反证法三种方法 |
Danniel J.Velleman | How to prove it [11] | 关系演算、数学归纳法 |
Ted Sundstrom | Mathematical Reasoning----Writing and Proof [12] | 直接证明、反证法、构造性证明 |
Peter J.Eccles | An Introduction to Mathematical Reasoning----numbers, sets and function [13] | 直接证明、反证法、构造性证明、归纳法 |
Robert S.Wolf | Proof, Logic and Conjecture [14] | 形式证明、非形式证明 |
Roman Garnier and John Talor | 100% Mathematical Proof [15] | 直接证明(反证法、双条件导出法)、存在与唯一性证明(构造性、非构造性证明)、形式系统证法、自然演绎系统证法、非形式证明 |
Herman Ruge Jervell | A course in proof theory [16] | 归结方法、根岑的演绎方法及根岑树截消方法、模拟和博弈方法 |
Samuel R.Buss | An Introduction to Proof Theory [17] | 根岑的演绎方法及根岑树截消方法 |
L.A.Harringgton etc. Editors | Harvey Friedman’s Research on the Foundations of Mathematics [18] | 反推数学方法(公理系统证明方法) |
U.Kohlenbach | Applied Proof Theory:Proof Interpretations and Their Use in Mathematics [19] | 延伸证明方法(解释性证明方法)、证明挖掘方法(解释性证明方法)、截消证明方法 |
Samuel R. Buss | Handbook of Proof Theory - [Studies in Logic and the Foundations of Mathematics [20] | 形式系统证法、自然演绎系统证法 |
Wolfram Pohlers | Proof Theory.The First Step into Impredicativity [21] | 形式系统证法、自然演绎系统证法 |
Gaisi Takeuti | Proof Theory [22] | 形式系统证法、自然演绎系统证法 |
Herman Ruge Jervell | A course in proof theory[23] | 截消方法、模拟和博弈方法 |
Charles E | Introduction to Mathematical Proofs.A Transition [24] | 直接证法、反证法、穷举证法、双蕴涵证法、全称量词证法、存在量词证法、数学归纳法 |
Sara Negri Jan Von Plato | Proof Analysis [25] | 形式系统证法、自然演绎系统证法 |
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